无线传感器网络通信协议及定位算法研究

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1、复旦大学博士学位论文无线传感器网络通信协议及定位算法研究姓名：陈迅申请学位级别：博士专业：计算机系统结构指导教师：涂时亮20071020摘要证明该算法的定位精度完全可以满足无线传感器网络一般的定位需求。(4)船舶机舱监测报警系统是船舶自动化的重要组成部分，其功能主要是监测各机电设备的工作状态和参数，并进行指示、报警、控制和记录。该系统工作的可靠性直接影响到船舶的航行安全。现有的船舶机舱监测报警系统主要有四种类型一常规仪表型、集中型、集散型和现场总线型。这些系统都需要铺设一定数量的通信电缆。由于船舶机舱的恶劣环

2、境使得这些通信电缆容易损坏，需要大量的维修和维护工作。本文第四部分提出了一种基于无线传感器网络的船舶机舱监测报警系统，并做出了实验原型系统。系统试运行情况良好，达到了设计的要求。该系统利用无线传感器网络的无线通信优势，减少了故障率，提高了系统的可靠性。目前，无线传感器网络作为一个研究热点，仍然存在很多问题和难点。其中，能量问题尤为突出，如何根据无线传感器网络的自身特点，设计合适的协议，有效减少网络能量的消耗，延长节点和网络的寿命，对无线传感器网络的发展具有极其重要的意义。关键字：无线传感器网络，媒质接入控制协

3、议，路由协议，定位算法，船舶机舱监测报警系统中图分类号：TP393第viii页featuresisVeryimportantforitsdevelopment．Keywords：WirelessSensorNetwork(WSN)，MediumAccessControlProtoc01，RoutingProtocol，LocalizationA190rithm，ShipEngineRoomMonitoring＆A1armSystem第xi页表目录图目录图2．1无线传感器网络架构郴s021⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

4、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6图2．2传感器节点结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7图2．3短距离无线通信标准协议结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．22图2．4ZigBee协议栈结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24图3．1节点能量消耗分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．27图3．2无线通信的能量消耗模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．27图3．3S．MAC协议周期睡眠示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31图3．4S—MAC协议RST／CTS握手示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

5、⋯⋯一31图3．5T-MAC协议示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31图3．6DSMAC协议示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．32图3．7TDMA．W协议示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33图3．8MMSN协议示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34图3．9重叠簇⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38图3．10通信帧结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．38图3．11簇间的帧调度示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39图3．

6、12多信道MAC协议实现过程示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．39图3．13信道预约帧数据结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41图3．14调度控制帧数据结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41图3．15子帧分配算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43图3．16能量有效性与信道数之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45图3．17能量有效性与数据帧长度之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46图3．18吞吐量与数据源数量之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47图3．19一次数据广播的能量

7、消耗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48图3．20网络寿命的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48图4．1SPIN协议中路由的建立和数据的传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．53图4．2DD协议中路由的建立和数据的传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．54图4．3谣言路由算法示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．54图4．4TTDD协议示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57图4．5MMSPEED协议示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58图4．6AI汀RP协议框架⋯⋯⋯⋯⋯

8、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61图4．7匕协与缈之间的曲线关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65第iv页表目录图4．8传输延时与数据流之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67图4．9控制开销与网络规模之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一68图4．10数据包能量有效性与B和网络负载之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．69图4．1l数据包有效到达率与B和网络负载之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯